Faradayova zákona v elektromagnetizmu vytvára meniace sa magnetické pole, tok je schopný vyvolať elektrický prúd v uzavretom okruhu.

V roku 1831 experimentoval anglický fyzik Michael Faraday s pohybujúcimi sa vodičmi v rámci magnetického poľa a tiež s meniacimi sa magnetickými poľami, ktoré prešli cez pevné vodiče.

Obrázok 1. Faradayov indukčný experiment

Faraday si uvedomil, že ak v priebehu času menil tok magnetického poľa, bol schopný zistiť napätie úmerné tejto zmene. Ak ε je napätie alebo indukovaná elektromotorická sila (indukovaná emf) a Φ je tok magnetického poľa, možno ho vyjadriť matematicky:

-ε- = ΔΦ / Δt

Ak symbol Δ označuje zmenu množstva a stĺpce v emf znamenajú jeho absolútnu hodnotu. Pretože ide o uzavretý obvod, prúd môže prúdiť v jednom alebo druhom smere.

Magnetický tok, ktorý vytvára magnetické pole na povrchu, sa môže meniť rôznymi spôsobmi, napríklad:

- Nasunutie tyčového magnetu do kruhovej slučky.

- Zvýšenie alebo zníženie intenzity magnetického poľa, ktoré prechádza slučkou.

-Uvoľnenie poľa je pevné, ale pomocou nejakého mechanizmu zmení sa oblasť slučky.

- Kombinovanie predchádzajúcich metód.

Obrázok 2. Anglický fyzik Michael Faraday (1791-1867).

Vzorce a jednotky

Predpokladajme, že máme uzavretý obvod oblasti A, ako kruhové cievky alebo vinutia rovnaká ako na obrázku 1, a ktorá má magnet, ktorý vytvára magnetické pole B .

Tok magnetického poľa Φ je skalárne množstvo, ktoré sa vzťahuje na počet siločiar, ktoré prechádzajú cez plochu A. Na obrázku 1 sú biele čiary, ktoré opúšťajú severný pól magnetu a vracajú sa cez juh.

Intenzita poľa bude úmerná počtu riadkov na jednotku plochy, takže môžeme vidieť, že na póloch je veľmi intenzívna. Môžeme však mať veľmi intenzívne pole, ktoré nevytvára tok v slučke, čo sa dá dosiahnuť zmenou orientácie slučky (alebo magnetu).

Kvôli zohľadneniu faktora orientácie je tok magnetického poľa definovaný ako skalárny produkt medzi B a n , kde n je jednotkový normálny vektor k povrchu slučky a ktorý naznačuje jeho orientáciu:

Φ = B • n A = BA.cos

Kde 9 je uhol medzi B a n . Ak sú napríklad B a n kolmé, tok magnetického poľa je nulový, pretože v tomto prípade je pole tangenciálne k rovine slučky a nemôže prechádzať cez jeho povrch.

Na druhej strane, ak sú B a n rovnobežné, znamená to, že pole je kolmé na rovinu slučky a čiary ním prechádzajú čo najviac.

Jednotka medzinárodného systému pre F je weber (W), kde 1 W = 1 Tm ² (čítajte „tesla na meter štvorcový“).

Lenzov zákon

Na obrázku 1 vidno, že polarita napätia sa mení s pohybom magnetu. Polarita je stanovená Lenzovým zákonom, ktorý uvádza, že indukované napätie musí byť proti variácii, ktorá ho spôsobuje.

Ak sa napríklad magnetický tok produkovaný magnetom zvyšuje, vo vodiči, ktorý cirkuluje, sa vytvorí prúd, ktorý vytvára svoj vlastný tok, čo je proti tomuto zvýšeniu.

Ak sa naopak tok vytvorený magnetom zníži, indukovaný prúd cirkuluje takým spôsobom, že tok sám pôsobí proti uvedenému poklesu.

Aby sa tento jav zohľadnil, podľa Faradayovho zákona je pripravené negatívne znamenie a už nie je potrebné umiestňovať stĺpce absolútnej hodnoty:

ε = -AΦ / Δt

Toto je zákon Faraday-Lenz. Ak je zmena prietoku nekonečná, delty sa nahradia rozdielmi:

ε = -dΦ / dt

Vyššie uvedená rovnica platí pre slučku. Ale ak máme cievku N zákrut, výsledok je oveľa lepší, pretože emf sa násobí N-krát:

ε = - N (dΦ / dt)

Faradayove experimenty

Na to, aby žiarovka svietila, musí vzniknúť relatívny pohyb medzi magnetom a slučkou. Toto je jeden zo spôsobov, ako sa tok môže meniť, pretože týmto spôsobom sa mení intenzita poľa prechádzajúceho slučkou.

Hneď ako sa pohyb magnetu zastaví, žiarovka sa vypne, aj keď magnet zostáva v strede slučky. Na cirkuláciu prúdu, ktorý zapína žiarovku, je potrebné, aby sa tok poľa menil.

Keď sa magnetické pole časom mení, môžeme ho vyjadriť ako:

B = B (t).

Pri udržiavaní konštantnej oblasti A slučky a jej udržiavaní v konštantnom uhle, ktorý je v prípade obrázku 0 °, potom:

Obrázok 4. Ak sa slučka otáča medzi pólmi magnetu, získa sa sínusový generátor. Zdroj: F. Zapata.

Takto sa získa sínusový generátor a ak sa namiesto jednej cievky použije niekoľko N cievok, indukovaný emf je väčší:

Obrázok 5. V tomto generátore sa magnet otáča, aby indukoval prúd v cievke. Zdroj: Wikimedia Commons.

Referencias

1. Figueroa, D. 2005. Serie: Física para Ciencias e Ingeniería. Volumen 6. Electromagnetismo. Editado por Douglas Figueroa (USB).
2. Giambattista, A. 2010. Physics. Second Edition. McGraw Hill.
3. Giancoli, D. 2006. Physics: Principles with Applications. 6th. Ed. Prentice Hall.
4. Resnick, R. 1999. Física. Vol. 2. 3ra Ed. en español. Compañía Editorial Continental S.A. de C.V.
5. Sears, Zemansky. 2016. University Physics with Modern Physics. 14th. Ed. Volume 2.